DE102007028504A1 - Device for processing a workpiece by means of a laser beam - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, umfassend ein Optikgehäuse (1), eine daran angebrachte Aufnahme (2) zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser, einen Kollimationsspiegel (3) und einen Fokussierspiegel (4). Erfindungsgemäß weisen der Kollimationsspiegel und der Fokussierspiegel jeweils eine Spiegelfläche in Form eines Off-Axis-Parabolids auf. Der Mittelpunkt der Endfläche (7) der Lichtleitfaser liegt dabei auf oder in der Nähe des Brennpunktes des Kollimationsspiegels (3). Dementsprechend fokussiert der Fokussierspiegel den Laserstrahl (5) auf oder in die Nähe des Brennpunktes des Fokussierspiegels (4). Vorzugsweise ist der Fokussierspiegel so angeordnet, dass in einer Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels liegende Einzelstahlen des auf den Kollimationsspiegel einfallenden Laserstrahlengangs in einer Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels liegen und die von der Rotationssymmetrieachse (10) des Kollimationsspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a...8e) der Einzelstahlen am Kollimationsspiegel mit der von der Rotationssymmetrieachse (11) des Fokussierspiegels aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a...8e) der Einzelstahlen am Fokussierspiegel übereinstimmt.The invention relates to an apparatus for processing a workpiece by means of a laser beam, comprising an optical housing (1), an attached receptacle (2) for coupling an optical fiber transmitting laser radiation, a collimation mirror (3) and a focusing mirror (4). According to the invention, the collimating mirror and the focusing mirror each have a mirror surface in the form of an off-axis paraboloid. The center of the end surface (7) of the optical fiber lies on or in the vicinity of the focal point of the collimating mirror (3). Accordingly, the focusing mirror focuses the laser beam (5) on or near the focal point of the focusing mirror (4). The focusing mirror is preferably arranged such that individual beams of the laser beam path incident on the collimating mirror lie in a mirror symmetry plane of the focusing mirror and the sequence of impact points (8a... 8e) counted from the rotational symmetry axis (10) of the collimating mirror Einzelstahlen on collimation mirror coincides with the counted by the rotational symmetry axis (11) of the focusing mirror from order of impact points (8a ... 8e) of the individual steel on the focusing mirror.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a device for processing a workpiece by means of a laser beam according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Die erreichbare mittlere Laserleistung und die Strahlqualität der verfügbaren Laserstrahlquellen steigt mit ihrem zunehmen Entwicklungsstand. Dies ergibt neue Anforderungen an die Bearbeitungsoptiken. The Achievable average laser power and the beam quality The available laser sources increase with their increase Development. This makes new demands on the processing optics.

Zum einen ist die Zerstörschwelle der optischen Komponenten ein Problem, welche oft durch einsatzbedingte Kontamination der Oberflächen noch herabgesetzt ist. Zum Anderen bewirken laserinduzierte thermische Einflüsse eine Veränderung des Laserfokus in Form und Lage. Dabei ist insbesondere die Abhängigkeit des Brechungsindexes aller transparenten Materialien von der Temperatur und der thermische Ausdehnungskoeffizient von Bedeutung. Diese Einflüsse sind beispielhaft beschrieben in: R. J. Tangelder, L. H. J. F. Reckmann, J. Meijer: „Influence of Temperature Gradients an the Performance of ZnSe-Lenses", EOS/SPIE Conference an Lens and Optical Systems Design, Berlin, 14–18 September 1992, SPIE Proceedings vol. 1780. Die Anforderungen an Bearbeitungsoptiken infolge hoher Laserleistung wurden im Zusammenhang mit der steigenden Leistung von CO2-Lasern dadurch erfüllt, dass transmittierende Elemente wie z. B. ZnSe-Linsen durch gekühlte und beschichtete Kupfer-Spiegel ersetzt wurden. Diese sind robust, relativ unempfindlich gegen Verschmutzung und gut reinigbar. Da die Strahlleitung bei CO2-Lasern im Freistrahl und die notwendigen Ablenkungen gegebenenfalls mittels ebener Spiegel erfolgt, steht am Optikeingang ein nahezu paralleler Laserstahl zur Verfügung. Fokussiert wird mit einem oder mehreren sphärischen Spiegeln, je nach Anforderung an den Fokus oder mittels anderer asphärischer Flächen.On the one hand, the damage threshold of the optical components is a problem which is often further reduced by application-related contamination of the surfaces. On the other hand, laser-induced thermal influences cause the laser focus to change in shape and position. In particular, the dependence of the refractive index of all transparent materials on the temperature and the thermal expansion coefficient of importance. These influences are described by way of example in: RJ Tangelder, LHJF Reckmann, J. Meijer: "Influence of Temperature Gradients on the Performance of ZnSe-Lenses", EOS / SPIE Conference on Lens and Optical Systems Design, Berlin, 14-18 September 1992, SPIE Proceedings vol. 1780. The demands on processing optics due to high laser power have been met in connection with the increasing power of CO 2 lasers that transmissive elements such. For example, ZnSe lenses have been replaced by cooled and coated copper mirrors. These are robust, relatively insensitive to contamination and easy to clean. Since the beam line in CO 2 lasers in the free jet and the necessary distractions if necessary by means of level mirrors, a nearly parallel laser steel is available at the optics input. Focusing is done with one or more spherical mirrors, depending on the focus or other aspheric surfaces.

Die gegenüber CO2-Lasern kürzere Wellenlänge der Festkörperlaser wie z. B. Nd:YAG-Laser und der Diodenlaser ermöglicht die Strahlübertragung mittels Lichtleitfaser. Hierbei wird der Laserstrahl fokussiert, indem das Faserende abgebildet wird. Dazu wird der aus der Faser austretende divergente Laserstrahl meist zunächst kollimiert und anschließend wieder fokussiert, um eine möglichst große gute Kombinierbarkeit der optischen Komponenten zu erhalten. Im Parallelstrahlabschnitt ist dann auch problemlos eine Umlenkung, Strahlteilung oder Strahlauskopplung zu Beobachtungs- oder Analysezwecken möglich. Für Laserstrahlformung bei fasergekoppelten Lasern, also die Abbildung der strahlenden Faserendflachen, war bisher die Verwendung von transmissiven Elementen üblich. Einzelanwendungen verwendeten auch metallische Spiegel.Compared to CO 2 lasers shorter wavelength of solid state lasers such. B. Nd: YAG laser and the diode laser allows the beam transmission by means of optical fiber. Here, the laser beam is focused by the fiber end is imaged. For this purpose, the divergent laser beam emerging from the fiber is usually first collimated and then refocused in order to obtain the best possible combinability of the optical components. In the parallel beam section is then also easily a deflection, beam splitting or beam extraction for observation or analysis purposes possible. For laser beam shaping in fiber-coupled lasers, ie the imaging of radiating fiber end faces, the use of transmissive elements has hitherto been customary. Individual applications also used metallic mirrors.

Um die deutlich verbesserte Laserstrahlqualität und die damit verbundene gute Fokussierbarkeit zu erhalten, muss die Beeinflussung der Laserstrahlung durch die optischen Elemente möglichst gering gehalten werden. In Björn Wedel, Roman Niedrig: „Fokussierung von High-Brightness-Lasern", Laser Technik Journal, 5/2006, S. 47–51 , werden verschiedene Wege aufgezeigt, um die laserinduzierte thermische Beeinflussung zu reduzieren. Im Wesentlichen werden dabei die Verringerung der Materialabsorption und der Anzahl optischer Elemente als bevorzugte Möglichkeiten aufgezeigt. Gleichzeitig sorgt eine verstärkte Kühlung der Linsen an Ihren Fassungen zur Abführung der größeren Verlustleistungen.In order to obtain the significantly improved laser beam quality and the associated good focusability, the influence of the laser radiation by the optical elements must be kept as low as possible. In Björn Wedel, Roman Niedrig: "Focusing on High-Brightness Lasers", Laser Technik Journal, 5/2006, p. 47-51 , different ways are shown to reduce the laser induced thermal influence. In essence, the reduction of material absorption and the number of optical elements are shown as preferred options. At the same time, intensified cooling of the lenses on their sockets ensures that the larger power losses are dissipated.

Die Verwendung von gekühlten Spiegeln in Bearbeitungsoptiken ist möglich und wird insbesondere bei CO2-Laser-Bearbeitungsoptiken genutzt. In DE 20 2006 015 539 U1 werden beispielsweise wassergekühlte Umlenkspiegel für CO2- und Festkörperlaser vorgeschlagen.The use of cooled mirrors in processing optics is possible and is used in particular in CO 2 laser processing optics. In DE 20 2006 015 539 U1 For example, water-cooled deflecting mirrors for CO 2 and solid-state lasers are proposed.

Da wegen der nach der Faser divergent austretenden Strahlung die Gesamtbrennweite der Bearbeitungsoptik bei fasergekoppelten Lasern kleiner sein muss, als bei typischen CO2-Optiken, die nur aus einem Parallelstrahl fokussieren müssen, ist die Auswirkung von optischen Fehlern entsprechend größer.There because of the fiber divergently exiting after the radiation the total focal length the processing optics in fiber-coupled lasers must be smaller, as with typical CO2 optics, only from a parallel beam need to focus is the impact of optical errors correspondingly larger.

Die DE 10 2004 007 178 B4 offenbart einen Laserbearbeitungskopf, dessen Laserstrahleinlass von einer Lichtaustrittsfläche einer optischen Lichtleitfaser gebildet ist. Der Laserbearbeitungskopf enthält einen Kollimationsspiegel und einen Fokussierspiegel. Der Kollimationsspiegel kollimiert den über die Lichtleitfaser eingekoppelten Laserstrahl und lenkt diesen auf den Fokussierspiegel um, welcher den Laserstrahl schließlich in den Arbeitsfokus fokussiert. Um eine zwei-dimensionale Scan- oder Abtastbewegung des Arbeitsfokus zu ermöglichen, ist sowohl der Kollimationsspiegel als auch der Fokussierspiegel jeweils um eine Drehachse drehbar, die mit einer jeweiligen optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist, wobei der Fokussierspiegel bei einer Drehung des Kollimationsspiegels um seine Drehachse eine Schwenkbewegung um diese Drehachse, d. h. die Drehachse des Kollimationsspiegels ausführt. Bei einer Realisierung dieser Anordnung werden wegen der geringen Anzahl von Spiegelelementen und den großen Ablenkwinkeln aus optischen Gründen die Abbildungsqualität nur sehr gering und die erzielbaren Foki stark asymmetrisch sein.The DE 10 2004 007 178 B4 discloses a laser processing head whose laser beam inlet is formed by a light exit surface of an optical fiber. The laser processing head includes a collimating mirror and a focusing mirror. The collimation mirror collimates the laser beam coupled in via the optical fiber and deflects it onto the focusing mirror, which finally focuses the laser beam into the working focus. In order to enable a two-dimensional scanning or scanning movement of the working focus, both the collimating mirror and the focusing mirror are each rotatable about an axis of rotation which is coaxial with a respective optical axis of the incident working beam path, the focusing mirror being rotated about its collimating mirror Rotary axis performs a pivoting movement about this axis of rotation, that is, the axis of rotation of the collimating mirror. In an implementation of this arrangement, because of the small number of mirror elements and the large deflection angles for optical reasons, the imaging quality will be very low and the achievable foci will be highly asymmetrical.

Eine weiteres Anordnungsprinzip für einen Bearbeitungskopf offenbart die DE 102 30 960 A1 . Ein Ellipsoid- und ein Paraboloid-Spiegel werden so angeordnet, dass Ihre Rotationssymmetrieachsen parallel, insbesondere kollinear, verlaufen. Die Anordnung arbeitet jedoch nur mit einem Parallelstrahl an ihrem Eingang. Weiterhin sind diese Spiegel nur paarweise zu betreiben. Eine Variation der Brennweite durch Austausch eines der Spiegel gegen einen Spiegel einer anderen Form ist nicht bzw. nur mit Einschränkungen in der Abbildungsgüte möglich.Another arrangement principle for a machining head discloses the DE 102 30 960 A1 , An ellipsoid and a paraboloid mirror become like that arranged so that their rotational symmetry axes are parallel, in particular collinear. However, the arrangement works only with a parallel beam at its entrance. Furthermore, these mirrors are only operated in pairs. A variation of the focal length by exchanging one of the mirrors for a mirror of another form is not possible or only with limitations in the imaging quality.

Neben der systembedingten Fokusverlagerung, infolge materialspezifischer Absorption und temperaturabhängigem Brechungsindex der transmissiven optischen Elemente von Bearbeitungsoptiken, verursacht besonders die Langzeitdrift der Fokuslage oftmals Qualitätseinschränkungen in Laserbearbeitungsprozessen. Diese resultieren in der Praxis aus langsam kumulierter Kontamination der optischen Oberflächen zum Beispiel auf der Seite der Fasereinkopplung, durch das Faserstecken in der Industrieumgebung oder auf der Prozessseite durch den Bearbeitungsprozess selbst. Selbst unter besten Schutzvorkehrungen führen auf Dauer Schmauch und Partikel zu einer Verschmutzung, welche zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung eines oder mehrerer optischer Elemente führt, was infolge der Materialeigenschaften der transmittierenden Elemente, also beispielsweise auch der Schutzgläser, in einer Fokusdrift resultiert. Die verwendeten Schutzgläser müssen regelmäßig gewechselt werden, was zu hohen Betriebskosten führt. Spiegeloptiken können dagegen, wie in der Praxis angewendet, ohne Schutzglas betrieben werden.Next the systemic focus shift, due to material specific Absorption and temperature-dependent refractive index of transmissive optical elements of processing optics caused especially the long-term drift of the focal position often quality restrictions in laser processing processes. These result in practice slowly accumulated contamination of optical surfaces For example, on the side of the fiber coupling, by the fiber insertion in the industrial environment or on the process side through the machining process Even under the best of precautions Duration of smoke and particles to a pollution, which leads to a additional temperature increase of one or more optical elements results, due to the material properties the transmitting elements, so for example, the protective glasses, resulting in a focus drift. The protective glasses used need to be changed regularly, which leads to high operating costs. Mirror optics can on the other hand, as applied in practice, operated without protective glass become.

Eine Kühlung der Linsen an ihrem Rand führt zwar die bei größeren Laserleistungen erhöhte Verlustleistungen ab, erhöht aber gleichzeitig den Temperatur- und damit den radialen Brechungsindexgradienten, was die Fokusdrift dann bei zunehmender Verschmutzung weiter verschlimmert.A Although the cooling of the lenses at its edge leads the increased at larger laser powers Dissipation, but at the same time increases the temperature and thus the radial refractive index gradient, which is the focus drift then further aggravated with increasing pollution.

Metallspiegel mit integrierter Kühlung besitzen auch einen Temperaturgang infolge thermischer Ausdehnung. Dieser ist in der Auswirkung auf die Laserstrahlung im Vergleich zu Linsen deutlich kleiner. Andererseits bieten Spiegelsysteme weniger Freiheitsgrade zur Korrektur von optischen Fehlern. Für die Materialbearbeitung geeignete optische Abbildungssysteme mit sphärischen Spiegeln sind deshalb für eine sehr gute Abbildungsqualität aufwendig, oft ungünstig gefaltet, groß und beinhalten zum Teil erhebliche Restfehler für die typischen faserseitigen nummerischen Aperturen von ca. 0,1–0,2. Diese Nachteile sollen durch die Erfindung vermieden werden.metal mirror with integrated cooling also have a temperature response due to thermal expansion. This is in effect the laser radiation compared to lenses significantly smaller. on the other hand Mirror systems offer fewer degrees of freedom for correcting optical Errors. Suitable for material processing optical Therefore, imaging systems with spherical mirrors are elaborate for a very good image quality, often unfavorably folded, large and contain some considerable Residual error for the typical fiber-side numerical Apertures of about 0.1-0.2. These disadvantages are due the invention can be avoided.

Aufgabenstellungtask

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, preiswerte Vorrichtung zu schaffen, die unabhängig von Laserleistung und Temperatur eine aus einer Lichtleitfaser austretende Laserstrahlung mit guter Abbildungsqualität für Materialbearbeitungszwecke fokussiert.Of the present invention is based on the object of providing a reliable, to create inexpensive device that is independent of Laser power and temperature emitted from an optical fiber laser radiation with good image quality for material processing purposes focused.

Diese Aufgabe wird durch die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisende Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by having the features of claim 1 Device solved. Advantageous embodiments of the invention Device are specified in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls umfasst also ein Optikgehäuse, durch das hindurch ein Laserstrahlengang von einer Lichtleitfaseraufnahme zu einem Laserstrahlauslass geführt ist, eine an dem Optikgehäuse angebrachten Lichtleitfaseraufnahme zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser, einen in dem Optikgehäuse angeordneten Kollimationsspiegel und einen in dem Optikgehäuse angeordneten Fokussierspiegel, wobei der Kollimationsspiegel den über eine Lichtleitfaser in das Optikgehäuse eingekoppelten Laserstrahl auf den Fokussierspiegel lenkt. Erfindungsgemäß weisen der Kollimationsspiegel und der Fokussierspiegel jeweils eine Spiegelfläche in Form eines Off-Axis-Parabolids auf. Die Lichtleitfaseraufnahme ist dabei derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass der Mittelpunkt der Endfläche der daran angekoppelten oder ankoppelbaren Lichtleitfaser auf oder in der Nähe des Brennpunktes des Kollimationsspiegels liegt, wobei der Mittelpunkt der Endfläche der Lichtleitfaser nicht weiter als 15%, vorzugsweise nicht weiter als 5% des zentralen Krümmungsradius des Kollimationsspiegels von dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels beabstandet ist. Dementsprechend fokussiert der Fokussierspiegel den Laserstrahl auf oder in die Nähe des Brennpunktes des Fokussierspiegels, wobei der Laserstrahlfokus nicht weiter als 15% vorzugsweise nicht weiter als 5% des zentralen Krümmungsradius des Fokussierspiegels von dem Brennpunkt des Fokussierspiegels beabstandet ist. Anders ausgedrückt liegt der Brennpunkt des Kollimationsspiegels bzw. Fokussierspiegels im Abstand des halben zentralen Krümmungsradius vom Scheitel einer den Off-Axis-Parabolid definierenden Parabel auf der Symmetrieachse des Paraboloids.The Inventive device for processing a Workpiece by means of a laser beam thus includes a Optical housing, through which a laser beam path led from an optical fiber recording to a laser beam outlet is an attached to the optical housing optical fiber receptacle for coupling a laser beam transmitting optical fiber, a collimating mirror disposed in the optical housing and a focusing mirror disposed in the optical housing, wherein the Kollimationsspiegel the over an optical fiber in the optical housing coupled laser beam on the Focusing mirror directs. According to the invention the collimating mirror and the focusing mirror each have a mirror surface in the form of an off-axis paraboloid. The optical fiber receptacle is arranged and / or formed such that the center the end face of the coupled or attachable thereto Optical fiber on or near the focal point of the Collimation is, with the center of the end face of the Optical fiber not more than 15%, preferably not more than 5% of the central radius of curvature of the collimating mirror is spaced from the focal point of the collimating mirror. Accordingly the focusing mirror focuses the laser beam on or in the Near the focal point of the focusing mirror, wherein the Laser beam focus not more than 15% preferably not further as 5% of the central radius of curvature of the focusing mirror of spaced from the focal point of the focusing mirror. In other words is the focal point of the collimating mirror or focusing mirror at a distance of half the central radius of curvature from the vertex a parabola defining the off-axis paraboloid on the axis of symmetry of the paraboloid.

Die Erfindung stellt somit eine zuverlässige, preiswert realisierbare Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels fasergekoppelter Laser hoher Leistung zur Verfügung, die unabhängig von der Laserleistung und Temperatur eine aus einer Lichtleitfaser austretende Laserstrahlung mit guter Abbildungsqualität für Materialbearbeitungszwecke fokussiert.The Invention thus provides a reliable, inexpensive realizable Device for material processing by means of fiber-coupled laser high performance available regardless of the laser power and temperature emerging from an optical fiber Laser radiation with good image quality for Focused on material processing purposes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem durch Variation der Brennweiten von Einzelelementen eine Anpassung an die Erfordernisse des jeweiligen Bearbeitungsprozesses innerhalb eines modularen Systems.The device according to the invention also makes it possible, by varying the focal lengths of individual elements, to adapt to the requirements of the respective machining process within one another a modular system.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussierspiegel bezüglich des einfallenden Laserstrahlengangs so angeordnet ist, dass in einer Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels liegende Einzelstahlen des auf den Kollimationsspiegel einfallenden Laserstrahlengangs in einer Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels liegen und die von der Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Kollimationsspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte der Einzelstahlen am Kollimationsspiegel, beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Kollimationsspiegels nächstliegenden Auftreffpunkt, mit der von der Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Fokussierspiegels aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte der Einzelstahlen am Fokussierspiegel, beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Fokussierspiegels nächstliegenden Auftreffpunkt, übereinstimmt.A advantageous embodiment of the invention Device is characterized in that the focusing mirror arranged with respect to the incident laser beam path is that in a mirror symmetry plane of the collimation mirror lying Einzelstahlen of incident on the Kollimationsspiegelenden Laser beam path in a mirror symmetry plane of the focusing mirror lie and that of the rotational symmetry axis of the mirror surface of the collimation mirror from the counted order of impact points the Einzelstahlen collimation mirror, starting with the rotational symmetry axis closest to the mirror surface of the collimating mirror Impact point with which of the rotational symmetry axis of the mirror surface of the Focusing mirror from counted order of impact points the Einzelstahlen the focusing mirror, starting with the rotational axis of symmetry closest to the mirror surface of the focusing mirror Impact point, matches.

Durch diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können optische Fehler des abbildenden Spiegelsystems vollständig oder nahezu vollständig kompensiert werden.By this embodiment of the invention Device can optical aberrations of the imaging mirror system completely or almost completely compensated become.

Die Spiegel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorzugsweise wassergekühlt. Eine Luftkühlung ist ebenfalls möglich. Die Umlenkwinkel an den Spiegeln betragen in der bevorzugten Ausführungsform 90 Grad, können jedoch auch davon abweichen. Grundsätzlich können die Umlenkwinkel im Bereich von 0 Grad bis 180 Grad, bei Spiegeln mit zentraler Bohrung oder streifendem Einfall, liegen. Mit dem Umlenkwinkel variiert bei gleicher zentraler Krümmung die Brennweite des Off-Axis-Paraboloids. Die Ausgestaltung der Vorrichtung mit Umlenkwinkeln von 90 Grad ermöglicht jedoch die Verwendung prismatischer Optikgehäuse bzw. Gehäuseteile, was hinsichtlich einer Modulbauweise der Vorrichtung von Vorteil ist.The Mirror of the device according to the invention are preferably water cooled. An air cooling is also possible. The deflection angles at the mirrors amount to 90 degrees in the preferred embodiment but also differ. Basically you can the deflection angle in the range of 0 degrees to 180 degrees, in mirrors with central hole or grazing incidence. With the deflection angle varies with the same central curvature, the focal length of the off-axis paraboloid. The embodiment of the device with However, 90 degree turn angles allow use prismatic optical housing or housing parts, which is advantageous in terms of a modular design of the device is.

Der Mittelpunkt der Endfläche der Lichtleitfaser liegt vorzugsweise genau auf dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels und die Fokusmitte auf dem Brennpunkt des Fokussierspiegels. Der aus der Lichtleitfaser austretende, divergente Laserstrahl trifft auf den Kollimationsspiegel, wird umgelenkt und parallelisiert. Der in einem Abstand dazu angeordnete Fokussierspiegel lenkt den parallelisierten Laserstrahl um und sammelt diesen im Fokus. Der Fokussierspiegel kann dabei einen beliebigen Verdrehwinkel um die Achse des Laserstrahls zwischen den Spiegeln gegenüber dem Kollimationsspiegel aufweisen. Für feste Optiken ist die bevorzugte Orientierung der Spiegel zueinander so, dass die Strahlachse des Laserstrahls am Faseraustritt und die Strahlachse des vom Fokussierspiegel ausgehenden Laserstrahls parallel sind und die gleiche Strahlrichtung aufweisen. Theoretisch ist für ein axiales Bündel bei dieser Anordnung der Paraboloidflächen eine immer ideale Abbildung gewährleistet. Bei der Abbildung eines ausgedehnten Faserendes verursachen dagegen Astigmatismus, Koma und Bildfeldneigung eine Vergrößerung des kleinsten Fokusdurchmessers und eine Verzerrung der Intensitätsverteilung in der Nähe des Fokus. Der Verdrehwinkel des Fokussierspiegels um die Achse des Laserstrahls zwischen den Spiegeln hat einen besonderen Einfluss auf die Abbildungsgüte der aus mindestens zwei Off-Axis-Paraboloid-Spiegeln bestehenden Laserbearbeitungsoptik. Durch Austausch mindestens eines der Paraboloide, vorzugsweise des Fokussierspiegels, gegen einen Spiegel anderer Brennweite, ist die Anpassung der Optik an die Bearbeitungsaufgabe leicht möglich. Die Auswirkungen der Abbildungsfehler variieren mit dem Abbildungsverhältnis der Bearbeitungsoptik. Für viele Bearbeitungsaufgaben ist die Abbildungsgüte unabhängig von Verdrehwinkel und Abbildungsverhältnis ausreichend. Sind Eintritts- und Austrittsachse des Laserstrahls parallel und die Strahlrichtung entgegengerichtet, tritt ein Minimum der Fehler auf. Die Einzelfehler der Paraboloidflächen kompensieren sich gegenseitig. Für den Fall gleicher Brennweiten von Kollimations- und Fokussierspiegel erfolgt die Kompensation nahezu vollständig. Es ist eine beugungsbegrenzte Abbildung über das gesamte Feld, auch für Faserdurchmesser bis ca. 1 mm und nummerische Aperturen (NA) von 0,25 möglich.Of the The center of the end face of the optical fiber is preferably exactly on the focal point of the collimation mirror and the focus center on the focal point of the focusing mirror. The out of the optical fiber emerging, divergent laser beam hits the collimating mirror, is redirected and parallelized. The one at a distance arranged Focusing mirror deflects the parallelized laser beam and collects this in focus. The focusing mirror can be any Angle of rotation about the axis of the laser beam between the mirrors have opposite the Kollimationsspiegel. For Fixed optics is the preferred orientation of the mirrors to each other such that the beam axis of the laser beam at the fiber exit and the Beam axis of the emanating from the focusing mirror laser beam in parallel are and have the same beam direction. Theoretically it is for an axial bundle in this arrangement of Paraboloidflächen ensures an always ideal picture. In the picture of an extended fiber end cause astigmatism, Coma and field tilt a magnification of the smallest focus diameter and a distortion of the intensity distribution near the focus. The angle of rotation of the focusing mirror to the axis of the laser beam between the mirrors has a special one Influence on the image quality of at least two Off-axis paraboloid mirrors existing laser processing optics. By replacing at least one of the paraboloids, preferably the Focusing mirror, against a mirror of different focal length, is the Adaptation of the optics to the machining task easily possible. The Effects of aberrations vary with the imaging ratio the processing optics. For many editing tasks is the image quality regardless of twist angle and imaging ratio sufficient. Are entrance and Exit axis of the laser beam parallel and the beam direction opposite, occurs a minimum of errors. The single errors of the parabolic surfaces compensate each other. In case of the same focal lengths of collimation and focusing mirror is the compensation almost complete. It's a diffraction-limited illustration about the entire field, also for fiber diameters up to approx. 1 mm and numerical apertures (NA) of 0.25 possible.

Die Anordnung der Spiegel, in der sich die Fehler aufheben, ist jedoch für die meisten Anwendungsfälle ungeeignet, da Faserende und Fokus auf der gleichen Seite der Bearbeitungsoptik liegen und die Zugänglichkeit zum Werkstück eingeschränkt ist. Durch Hinzufügen mindestens eines weiteren Planspiegels kann die Kompensationswirkung auch für Anordnungen mit guter Zugänglichkeit realisiert werden. Dieser eine oder diese mehreren Planspiegel müssen mit ihren Umlenkrichtungen so angeordnet sein, dass die in der Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels liegenden Strahlen des axialen Bündels am Fokussierspiegel ebenfalls in der Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels liegen und die von der Rotationssymmetrieachse des Kollimationsspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte der Strahlen des axialen Bündels auf dem Kollimationsspiegel mit der von der Rotationssymmetrieachse des Fokussierspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte am Fokussierspiegel übereinstimmt. Die Kompensation erfolgt ebenfalls für Umlenkwinkel ungleich 90 Grad, wenn die Umlenkwinkel der Paraboloide gleich groß sind.The Arrangement of the mirror in which the errors cancel, however, is unsuitable for most applications, since Fiber end and focus on the same side of the processing optics lie and the accessibility to the workpiece is limited is. By adding at least one additional plane mirror The compensation effect can also be used for arrangements good accessibility can be realized. This one or These multiple plane mirrors need with their deflection directions be arranged so that in the mirror symmetry plane of the collimating mirror lying beams of the axial beam at the focusing mirror also lie in the mirror symmetry plane of the focusing mirror and from the rotational symmetry axis of the collimating mirror counted order of the impact points of the rays of the axial bundle on the collimation mirror with that of of the rotational symmetry axis of the focusing mirror counted from The order of impingement coincides with the focusing mirror. The compensation also takes place unevenly for deflection angles 90 degrees, if the deflection angles of the paraboloid are the same size.

Für den Betrieb in Industrieumgebung sind vorzugsweise eine Kühlung der Spiegel und gegebenenfalls weiterer Komponenten, sowie Schutzmaßnahmen wie Crossjet und/oder Optikspülung, z. B. durch saubere Luft vorgesehen. Beschichtungen der Spiegel ermöglichen ein leichtes Reinigen. Je nach Prozessbedingungen können deshalb auf Schutzgläser verzichtet und weitere thermische Einflüsse dadurch vermieden werden.For operation in an industrial environment are preferably a cooling of the mirrors and optionally other components, and protective measures such as Crossjet and / or optical irrigation, z. B. provided by clean air. Coatings of the mirrors allow easy cleaning. Depending on the process conditions can therefore be dispensed with protective glasses and other thermal influences are avoided.

Ausführungsbeispieleembodiments

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:following the invention is based on a plurality of embodiments illustrative drawing explained in more detail. Show it schematically:

1 den Aufbau einer Laserbearbeitungsoptik mit zwei Paraboloidspiegeln in unkompensierter Anordnung mit jeweils 90 Grad Umlenkwinkel an den Paraboloidspiegeln; 1 the construction of a laser processing optics with two paraboloidal mirrors in uncompensated arrangement, each with 90 degrees of deflection at the paraboloidal mirrors;

2 das Funktionsprinzip der Erfindung in einer einfachen Ausführungsform mit jeweils 90 Grad Umlenkwinkel an den Paraboloidspiegeln; 2 the principle of operation of the invention in a simple embodiment, each with 90 degrees of deflection at the paraboloidal mirrors;

3 das Funktionsprinzip der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit einem zusätzlichen Planspiegel, zur Korrektur der Orientierung der Paraboloid-Spiegel zueinander; und 3 the operating principle of the invention in a further embodiment with an additional plane mirror, to correct the orientation of the paraboloid mirror to each other; and

4 das Funktionsprinzip der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit zwei zusätzlichen Planspiegel und einigen Ergänzungsbaugruppen. 4 the operating principle of the invention in a further embodiment with two additional plane mirror and some supplementary modules.

In 1 ist der Aufbau einer Laserbearbeitungsoptik mit zwei Paraboloidspiegeln zur Abbildung einer Endfläche 7 einer Lichtleitfaser in eine Fokusebene 6 gezeigt. Ein Optikgehäuse 1 enthält fest damit verbundene Spiegel 3 und 4 und eine Lichtleitfaseraufnahme 2 zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser. Der Spiegel 3 wirkt als Kollimationsspiegel, während der Spiegel 4 als Fokussierspiegel dient. Der Kollimationsspiegel 3 parallelisiert den aus der Faserendfläche 7 austretenden Laserstrahl. Im dargestellten Beispiel betragen die Umlenkwinkel 9 beide 90 Grad. Der zum Kollimationsspiegel 3 entsprechend der Darstellung in 1 beabstandete Fokussierspiegel 4 sammelt den Laserstrahl im Laser-Fokus. Kollimationsspiegel 3 und Fokussierspiegel 4 sind als Off-Axis-Paraboloide ausgebildet. Die jeweilige Rotationssymmetrieachse der rotierten Parabel 12 der Spiegelflächen ist zur Verdeutlichung der Spiegelform eingezeichnet. Die Ebenen, in denen die Parabeln 12 sowohl für den Kollimationsspiegel 3 als auch für den Fokussierspiegel 4 gezeichnet sind, beschreiben die Ebenen, in denen eine Spiegelsymmetrie der Off-Axis-Paraboloide vorliegt. Idealer Weise befinden sich der Mittelpunkt der Endfläche 7 der Lichtleitfaser auf der Rotationssymmetrieachse 10 und dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels 3 und der Mittelpunkt der Fokusebene 6 auf der Rotationssymmetrieachse 11 und dem Brennpunkt des Fokussierspiegels 4. Die Abbildung des axialen Punktes der Faserendfläche in die Bildebene erfolgt durch die Verwendung von Off-Axis-Paraboloiden in der Anordnung nach 1 geometrisch ideal. Die Abbildung des axialen Punkts ist beugungsbegrenzt. Eine Nachrechnung ergibt, dass jedoch als Abbildungsfehler für die Feldpunkte am Rand der Faserendfläche auch schon bei Faserdurchmessern von 100 μm und faserseitiger nummerischer Apertur (NA) von nur 0,1 keine beugungsbegrenzte Abbildung mehr vorliegt. Bei 200 μm und nummerischer Apertur von 0,15 liegen nichtvernachlässigbar Astigmatismus, Koma und Bildfeldneigung vor. Das heißt, die Abbildung des Faserrandes ist unscharf und die Fokusebene/Bildebene 6 liegt in einem Winkel zur Strahlachse. Bei dieser Anordnung der Spiegel tritt außerdem, je nach NA, ein leicht asymmetrischer Strahlkegel aus der Bearbeitungsoptik aus, was eine orientierungsunabhängige Materialbearbeitung stören kann.In 1 is the structure of a laser processing optics with two paraboloidal mirrors for imaging an end surface 7 an optical fiber in a focal plane 6 shown. An optical housing 1 contains fixed mirrors 3 and 4 and an optical fiber receptacle 2 for coupling a laser beam transmitting optical fiber. The mirror 3 acts as a collimation mirror, while the mirror 4 serves as a focusing mirror. The collimation mirror 3 parallelises the out of the fiber end face 7 emerging laser beam. In the example shown, the deflection angle 9 both 90 degrees. The collimation mirror 3 as shown in 1 spaced focusing mirrors 4 collects the laser beam in laser focus. collimation 3 and focusing mirror 4 are trained as off-axis paraboloids. The respective rotational symmetry axis of the rotated parabola 12 the mirror surfaces is drawn to illustrate the mirror shape. The levels in which the parabolas 12 both for the collimation mirror 3 as well as for the focusing mirror 4 are drawn, describe the levels in which there is a mirror symmetry of the off-axis paraboloid. Ideally, the center of the end face 7 the optical fiber on the axis of rotational symmetry 10 and the focal point of the collimation mirror 3 and the center of the focal plane 6 on the rotational symmetry axis 11 and the focal point of the focusing mirror 4 , The mapping of the axial point of the fiber end face into the image plane is accomplished by the use of off-axis paraboloids in the array 1 geometrically ideal. The image of the axial point is diffraction-limited. A recalculation shows, however, that there is no longer any diffraction-limited image as an aberration for the field points at the edge of the fiber end face even at fiber diameters of 100 μm and fiber-side numerical aperture (NA) of only 0.1. At 200 μm and numerical aperture of 0.15, astigmatism, coma and field tilt are not negligible. That is, the image of the fiber edge is out of focus and the focal plane / image plane 6 is at an angle to the beam axis. In this arrangement, the mirror also occurs, depending on NA, a slightly asymmetric beam cone from the processing optics, which can interfere with an orientation-independent material processing.

Bei der Anordnung der Spiegel 3 und 4 nach 1 ist die Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a...8e) der Strahlen des axialen Bündels auf den Kollimationsspiegel 3, von der Rotationssymmetrieachse 10 des Kollimationsspiegels 3 aus gezählt, nicht übereinstimmend mit der Reihenfolge der Auftreffpunkte auf dem Fokussierspiegel 4, von der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 aus gezählt. Die optischen Fehler der Spiegel 3 und 4 werden nicht kompensiert. Häufig ist diese Abbildungsqualität jedoch ausreichend. Bei relativ geringen Anforderungen an die Abbildungsqualität ist mit dieser Anordnung gegebenenfalls eine thermisch stabile, robuste Bearbeitungsoptik aus modularen Komponenten aufbaubar.In the arrangement of the mirror 3 and 4 to 1 is the order of the impact points ( 8a ... 8e ) of the rays of the axial bundle on the collimation mirror 3 , from the rotational symmetry axis 10 of the collimation mirror 3 is counted out, inconsistent with the order of impingement points on the focusing mirror 4 , from the rotational symmetry axis 11 of the focusing mirror 4 counted out. The optical errors of the mirrors 3 and 4 are not compensated. Often, however, this imaging quality is sufficient. With relatively low demands on the imaging quality, a thermally stable, robust processing optics made of modular components can optionally be built with this arrangement.

2 zeigt eine erste, relativ einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Paraboloid-Spiegel derart angeordnet sind, dass optische Fehler der Spiegel kompensiert werden. Die Vorrichtung besteht aus den Komponenten Optikgehäuse 1, Lichtleitfaseraufnahme 2 und im Optikgehäuse 1 befestigten Spiegeln 3 und 4. Dabei dient ein erster Spiegel mit der Form eines Off-Axis-Paraboloids als Kollimationsspiegel 3 zur Kollimation der Laserstrahlung und ein zweiter Spiegel mit der Form eines Off-Axis-Paraboloids als Fokussierspiegel 4 zur Fokussierung des Laserstrahls. Der Mittelpunkt der Endfläche 7 der Lichtleitfaser liegt auf der Rotationssymmetrieachse 10 und dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels 3, so dass sich ein Umlenkwinkel 9 am Kollimationsspiegel 3 von 90 Grad ergibt. Die aus der Lichtleitfaser an der Faserendfläche 7 austretende Laserstrahlung wird dadurch in eine der Rotationssymmetrieachse des Kollimationsspiegels 10 parallelen Richtung abgelenkt und kollimiert. Dieser so kollimierte Laserstrahl trifft wiederum in einem Abstand den Fokussierspiegel 4 so, dass der Umlenkwinkel 9 am Fokussierspiegel 4 ebenfalls 90 Grad beträgt und der Laserstrahl derart fokussiert wird, dass der Mittelpunkt der Fokusebene auf der Rotationssymmetrieachse und dem Brennpunkt des Fokussierspiegels 4 liegt. Idealer Weise befinden sich der Mittelpunkt der Faserendfläche 7 auf der Rotationssymmetrieachse 10 und im Brennpunkt des Kollimationsspiegels 3 und der Mittelpunkt der Fokusebene 6 auf der Rotationssymmetrieachse 11 und im Brennpunkt des Fokussierspiegels 4. Die Strahlrichtung des Laserstrahls an der Faserendfläche 7 und am Fokus sind entgegengesetzt. Durch Variation des Winkels der Rotationssymmetrieachse 10 des Kollimationsspiegels 3 zur optischen Achse der Faserendfläche 7 bzw. des Winkels der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 zur optischen Achse der Fokusebene 6 sind auch abweichende Umlenkwinkel 9 einstellbar. 2 shows a first, relatively simple embodiment of a device according to the invention, the parabolic mirror are arranged such that optical errors of the mirror are compensated. The device consists of the components optics housing 1 , Optical fiber receptacle 2 and in the optics housing 1 attached mirrors 3 and 4 , In this case, a first mirror with the shape of an off-axis paraboloid serves as a collimation mirror 3 for collimating the laser radiation and a second mirror having the shape of an off-axis paraboloid as a focusing mirror 4 for focusing the laser beam. The midpoint of the endface 7 the optical fiber lies on the rotational symmetry axis 10 and the focal point of the collimation mirror 3 , so that a deflection angle 9 at the collimation mirror 3 of 90 degrees. The out of the optical fiber at the Faserendfläche 7 Exiting laser radiation is thereby in one of the rotational symmetry axis of the collimating mirror 10 deflected parallel direction and collimated. This collimated laser beam again hits the focusing mirror at a distance 4 such that the deflection angle 9 on the focusing mirror 4 also 90 degrees and the laser beam is so is focused that the center of the focal plane on the rotational symmetry axis and the focus of the focusing mirror 4 lies. Ideally, the center of the fiber end face 7 on the rotational symmetry axis 10 and at the focal point of the collimation mirror 3 and the center of the focal plane 6 on the rotational symmetry axis 11 and at the focal point of the focusing mirror 4 , The beam direction of the laser beam at the fiber end surface 7 and at the focus are opposite. By varying the angle of the rotational symmetry axis 10 of the collimation mirror 3 to the optical axis of the fiber end face 7 or the angle of the rotational symmetry axis 11 of the focusing mirror 4 to the optical axis of the focal plane 6 are also different deflection angle 9 adjustable.

Bei der Anordnung gemäß 2 ist der Fokussierspiegel 4 bezüglich des einfallenden Strahls so angeordnet, dass die in der Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels 3 verlaufenden Strahlen des axialen Bündels 8 auch in der Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels 4 liegen und die von der Rotationssymmetrieachse 10 des Kollimationsspiegels 3 aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen auf der konkaven Spiegelfläche des Kollimationsspiegels 3 mit der von der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen auf der konkaven Spiegelfläche des Fokussierspiegels 4 übereinstimmt. Weiterhin sind in dieser vorteilhaften Ausführungsform die Brennweiten der beiden Spiegel 3 und 4 und deren Umlenkwinkel 9 gleich. Die gleiche Reihenfolge der Auftreffpunkte, die gleiche Brennweite und die gleichen Umlenkwinkel sind Bedingung für die vollständige oder nahezu vollständige Kompensation der optischen Fehler der Paraboloidflächen. Wird eine Verminderung der Abbildungsqualität toleriert, können bei einer oder mehreren dieser Bedingungen Abstriche gemacht werden. Die korrekte Reihenfolge wirkt auch bei ungleichen Brennweiten und ungleichen Umlenkwinkeln kompensierend, so dass die richtige Reihenfolge der Auftreffpunkte und damit die richtige Orientierung der Parabolidspiegel zueinander eingehalten werden sollte.In the arrangement according to 2 is the focusing mirror 4 with respect to the incident beam so arranged that in the mirror symmetry plane of the collimating mirror 3 extending rays of the axial bundle 8th also in the mirror symmetry plane of the focusing mirror 4 lie and that of the axis of rotational symmetry 10 of the collimation mirror 3 from counted order of impact points 8a to 8e the rays on the concave mirror surface of the collimating mirror 3 with that of the rotational symmetry axis 11 of the focusing mirror 4 from counted order of impact points 8a to 8e the rays on the concave mirror surface of the focusing mirror 4 matches. Furthermore, in this advantageous embodiment, the focal lengths of the two mirrors 3 and 4 and their deflection angle 9 equal. The same sequence of impact points, the same focal length and the same deflection angles are conditions for the complete or almost complete compensation of the optical errors of the parabolic surfaces. If a reduction in image quality is tolerated, one or more of these conditions may be compromised. The correct order also compensates for unequal focal lengths and unequal deflection angles, so that the correct sequence of impact points and thus the correct orientation of the paraboloidal mirrors should be maintained.

3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gegenüber 2 führt die Hinzufügung eines Planspiegels 13 zu einer verbesserten Zugänglichkeit des Bearbeitungskopfes zum Werkstück. Die erfindungsgemäße Reihenfolge und Lage der Auftreffpunkte auf den betreffenden Spiegeln bezüglich der Rotationssymmetrieachse und Strahlachse ist auch in dieser Ausführungsform gegeben. Auch hier ist der Fokussierspiegel 4 bezüglich des einfallenden Strahls so angeordnet, dass die in der Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels 3 verlaufenden Strahlen des axialen Bündels 8 auch in der Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels 4 liegen und die von der Rotationssymmetrieachse 10 des Kollimationsspiegels 3 aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen am Kollimationsspiegel 3 mit der von der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen am Fokussierspiegel 4 übereinstimmt. Würde der Planspiegel 13 den Laserstrahl 5 in die andere, gegenüber dem einfallenden Strahl um 180 Grad gedrehte Richtung unter 90 Grad ablenken, wären die Bedingungen zur Kompensation der optischen Fehler nicht gegeben. Die Abbildungsqualität wäre dann vergleichbar mit der Anordnung nach 1. 3 shows a further advantageous embodiment of the device according to the invention. Across from 2 leads to the addition of a plane mirror 13 for improved accessibility of the machining head to the workpiece. The inventive order and location of the impact points on the respective mirrors with respect to the rotational axis of symmetry and beam axis is also given in this embodiment. Again, the focus mirror 4 with respect to the incident beam so arranged that in the mirror symmetry plane of the collimating mirror 3 extending rays of the axial bundle 8th also in the mirror symmetry plane of the focusing mirror 4 lie and that of the axis of rotational symmetry 10 of the collimation mirror 3 from counted order of impact points 8a to 8e the rays at the collimation mirror 3 with that of the rotational symmetry axis 11 of the focusing mirror 4 from counted order of impact points 8a to 8e the rays at the focusing mirror 4 matches. Would the plane mirror 13 the laser beam 5 in the other direction, rotated by 180 degrees with respect to the incident beam direction at 90 degrees, the conditions for compensation of optical errors would not exist. The image quality would be comparable to the arrangement after 1 ,

Erfolgt die Faltung des Laserstrahls durch weitere Planspiegel, sind zur Kompensation der optischen Fehler immer die Bedingung für die Reihenfolge und Lage der Auftreffpunkte auf den betreffenden Spiegel einzuhalten. Dann ist auch eine Faltung des Strahlengangs aus der Darstellungsebene von 3 heraus möglich.If the folding of the laser beam is effected by further plane mirrors, the condition for the order and position of the impact points on the relevant mirror must always be observed to compensate for the optical errors. Then also a convolution of the beam path from the representation plane of 3 out possible.

4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gegenüber 3 führt die Hinzufügung eines teildurchlässigen Planspiegels 14 zu einer Anordnung mit gestreckter Bauform, gleichzeitig ist durch den teildurchlässigen Planspiegel 14 eine messtechnische Erfassung des Bearbeitungsraumes mittels einer Sensoreinrichtung 15 möglich. Diese Sensoreinrichtung 15 kann aus einem und/oder mehreren Sensoren bestehen, die physikalische Eigenschaften des Prozesses oder der Prozessumgebung über den Sensorstrahlengang 16 erfassen. Beispielsweise kann diese Sensoreinrichtung auch eine einfache Beobachtungskamera sein. Die Sensoreinrichtung 15 kann auch in Fortführung des einfallenden Laserstrahls 5 angeordnet sein, um Eigenschaften der Laserstrahlung zu erfassen. Diese Variante ist nicht dargestellt. In 4 sind weiterhin Schutzmaßnahmen bzw. Schutzeinrichtungen schematisch dargestellt. Eine Spüleinrichtung 18 erzeugt durch saubere Luft oder ein anderes Gas einen Überdruck im Inneren des Optikgehäuses 1 und verringert damit die Gefahr des Eindringens von Schmauch und anderen Verunreinigungen. Eine Crossjet-Einrichtung 17 schützt durch einen quer zur Laserstrahl richtung angeordneten Gasstrahl das Innere des Optikgehäuses vor Schweißspritzern. Alternativ kann als Schutzmaßnahme auch ein axialer Gasstrahl durch eine vorzugsweise koaxiale Düse erfolgen. 4 shows a further advantageous embodiment of the device according to the invention. Across from 3 leads to the addition of a partially transparent plane mirror 14 to an arrangement with a stretched design, at the same time is through the partially transparent plane mirror 14 a metrological detection of the processing space by means of a sensor device 15 possible. This sensor device 15 may consist of one and / or more sensors, the physical properties of the process or the process environment via the sensor beam path 16 to capture. For example, this sensor device may also be a simple observation camera. The sensor device 15 can also be in continuation of the incident laser beam 5 be arranged to detect properties of the laser radiation. This variant is not shown. In 4 Furthermore protective measures or protective devices are shown schematically. A rinsing device 18 generated by clean air or another gas overpressure inside the optical housing 1 and thus reduces the risk of penetration of smoke and other impurities. A crossjet device 17 protects by a transverse to the laser beam arranged gas jet, the interior of the optical housing from spatters. Alternatively, as a protective measure, an axial gas jet can also take place through a preferably coaxial nozzle.

Mit den Bearbeitungsoptiken der erfindungsgemäßen Art ist es möglich, Laserstrahlung mit sehr hoher Leistung nach einer Faserübertragung ohne bzw. mit reduzierten Einflüssen auf die Strahleigenschaften sowohl für Schweiß- und Lötprozesse aber auch z. B. für das Beschichten und Schneiden einzusetzen. Die besondere Form der Kompensation der optischen Fehler der strahlformenden Einzelelemente ist dabei besonders vorteilhaft für das Schweißen und Schneiden.With the processing optics of the type according to the invention, it is possible laser radiation with very high power after a fiber transmission without or with reduced influences on the beam properties both for welding and soldering processes but also z. B. for coating and cutting use. The special form of compensation of Optical error of the beam-forming individual elements is particularly advantageous for welding and cutting.

Sind für die Bearbeitungsprozesse von einem 1:1 betragenden Abbildungsverhältnis abweichende Abbildungsverhältnisse erforderlich, können durch Hinzufügen schwacher, dünner Linsen zur erfindungsgemäßen Spiegelanordnungen andere Abbildungsverhältnisse mit geringen Einflüssen auf die Strahlqualität und die thermische Stabilität erreicht werden. Durch den Einsatz der zusätzlichen Linsen vor dem Kollimationsspiegel 3 und/oder nach dem Fokussierspiegel 4 werden Faserendfläche und/oder Fokus für die Off-Axis-Paraboloid-Spiegelflächen zu virtuellen, auf den jeweiligen Rotationssymmetrieachsen und den zugehörigen Brennpunkten der Spiegel 3, 4 liegenden Punkten. Zur Kompensation der optischen Fehler der Spiegelflächen, können die genannten Bedingungen eingehalten werden. Die thermische Stabilität der Bearbeitungsoptik bezüglich der Fokusverschiebung wird weitestgehend dadurch erreicht, dass die transmittierenden Elemente gegenüber den Spiegeln vom Betrag her nur große Brennweiten aufweisen und die Dicke nur gering ist.If different imaging ratios are required for the machining processes of a 1: 1 imaging ratio, other imaging ratios with little influence on the beam quality and the thermal stability can be achieved by adding weak, thin lenses to the mirror arrangements according to the invention. By using the additional lenses in front of the collimation mirror 3 and / or after the focusing mirror 4 become fiber end face and / or focus for the off-axis paraboloid mirror surfaces to virtual, on the respective rotational symmetry axes and the associated focal points of the mirror 3 . 4 lying points. To compensate for the optical errors of the mirror surfaces, the conditions mentioned can be met. The thermal stability of the processing optics with respect to the focus shift is largely achieved by the fact that the transmitting elements have only large focal lengths with respect to the mirrors and the thickness is only slight.

11
Optikgehäuseoptics housing
22
LichtleitfaseraufnahmeLichtleitfaseraufnahme
33
Kollimationsspiegelcollimation
44
Fokussierspiegelfocusing
55
Laserstrahllaser beam
66
Fokusebene (Bildebene)focal plane (Image plane)
77
Endfläche der Lichtleitfaserend face the optical fiber
88th
Strahlen des axialen Strahlenbündelsradiate of the axial beam
8a8a
Auftreffpunkt Strahl Aof impact Ray A
8b8b
Auftreffpunkt Strahl Bof impact Beam B
8c8c
Auftreffpunkt Strahl Cof impact Beam C
8d8d
Auftreffpunkt Strahl Dof impact Ray D
8e8e
Auftreffpunkt Strahl Fof impact Ray F
99
Umlenkwinkeldeflection
1010
Rotationssymmetrieachse des KollimationsspiegelsRotational symmetry axis of the collimation mirror
1111
Rotationssymmetrieachse des FokussierspiegelsRotational symmetry axis of the focusing mirror
1212
Parabelparabola
1313
Planspiegelplane mirror
1414
teildurchlässiger Planspiegelsemi-transparent plane mirror
1515
Sensoreinrichtungsensor device
1616
SensorstrahlengangSensor beam path
1717
Crossjet-EinrichtungCrossjet facility
1818
Spüleinrichtungflushing

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 2004007178 B4 [0008] - DE 2004007178 B4 [0008]
  • - DE 10230960 A1 [0009] DE 10230960 A1 [0009]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - R. J. Tangelder, L. H. J. F. Reckmann, J. Meijer: „Influence of Temperature Gradients an the Performance of ZnSe-Lenses", EOS/SPIE Conference an Lens and Optical Systems Design, Berlin, 14–18 September 1992, SPIE Proceedings vol. 1780. [0003] - RJ Tangelder, LHJF Reckmann, J. Meijer: "Influence of Temperature Gradients on the Performance of ZnSe-Lenses", EOS / SPIE Conference on Lens and Optical Systems Design, Berlin, September 14-18, 1992, SPIE Proceedings vol. [0003]
  • - Björn Wedel, Roman Niedrig: „Fokussierung von High-Brightness-Lasern", Laser Technik Journal, 5/2006, S. 47–51 [0005] - Björn Wedel, Roman Niedrig: "Focusing on High-Brightness Lasers", Laser Technik Journal, 5/2006, pp. 47-51 [0005]

Claims (12)

Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit: einem Optikgehäuse (1), durch das hindurch ein Laserstrahlengang von einer Lichtleitfaseraufnahme (2) zu einem Laserstrahlauslass geführt ist, einer an dem Optikgehäuse angebrachten Lichtleitfaseraufnahme (2) zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser, einem in dem Optikgehäuse angeordneten Kollimationsspiegel (3) und einem in dem Optikgehäuse angeordneten Fokussierspiegel (4), wobei der Kollimationsspiegel den über eine Lichtleitfaser in das Optikgehäuse eingekoppelten Laserstrahl (5) auf den Fokussierspiegel lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimationsspiegel (3) und der Fokussierspiegel (4) jeweils eine Spiegelfläche in Form eines Off-Axis-Parabolids aufweisen und die Lichtleitfaseraufnahme (2) derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Mittelpunkt der Endfläche (7) der daran angekoppelten oder ankoppelbaren Lichtleitfaser auf oder in der Nähe des Brennpunktes des Kollimationsspiegels (3) liegt, wobei der Mittelpunkt der Endfläche (7) der Lichtleitfaser nicht weiter als 15%, vorzugsweise nicht weiter als 5% des zentralen Krümmungsradius des Kollimationsspiegels (3) vom Brennpunkt des Kollimationsspiegels beabstandet ist, und dass der Fokussierspiegel den Laserstrahl (5) auf oder in die Nähe des Brennpunktes des Fokussierspiegels fokussiert, wobei der Laserstrahlfokus nicht weiter als 15%, vorzugsweise nicht weiter als 5% des zentralen Krümmungsradius des Fokussierspiegels vom Brennpunkt des Fokussierspiegels beabstandet ist.Device for processing a workpiece by means of a laser beam, comprising: an optical housing ( 1 ) through which a laser beam path from an optical fiber receptacle ( 2 ) is guided to a laser beam outlet, an optical fiber receptacle attached to the optical housing ( 2 ) for coupling a laser beam transmitting optical fiber, a arranged in the optical housing collimating mirror ( 3 ) and a focusing mirror arranged in the optical housing ( 4 ), wherein the Kollimationsspiegel the coupled via an optical fiber in the optical housing laser beam ( 5 ) to the focusing mirror, characterized in that the collimation mirror ( 3 ) and the focusing mirror ( 4 ) each have a mirror surface in the form of an off-axis paraboloid and the optical fiber receptacle ( 2 ) is arranged and / or formed such that the center of the end face ( 7 ) of the optical fiber coupled or coupled thereto on or in the vicinity of the focal point of the collimation mirror ( 3 ), the center of the end face ( 7 ) of the optical fiber is not more than 15%, preferably not more than 5% of the central radius of curvature of the collimating mirror ( 3 ) is spaced from the focal point of the collimating mirror, and that the focusing mirror is the laser beam ( 5 ) is focused on or near the focal point of the focusing mirror, the laser beam focus being spaced no more than 15%, preferably not more than 5% of the central radius of curvature of the focusing mirror from the focal point of the focusing mirror. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussierspiegel (4) bezüglich des einfallenden Laserstrahlengangs so angeordnet ist, dass in einer Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels (3) liegende Einzelstahlen des auf den Kollimationsspiegel (3) einfallenden Laserstrahlengangs in einer Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels (4) liegen und die von der Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Kollimationsspiegels (3) aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a...8e) der Einzelstahlen am Kollimationsspiegel, beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Kollimationsspiegels (3) nächstliegenden Auftreffpunkt (8a), mit der von der Rotationssymmetrieachse (11) der Spiegelfläche des Fokussierspiegels (4) aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a...8e) der Einzelstahlen am Fokussierspiegel (4), beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse (11) der Spiegelfläche des Fokussierspiegels (4) nächstliegenden Auftreffpunkt (8a), übereinstimmt.Apparatus according to claim 1, characterized in that the focusing mirror ( 4 ) with respect to the incident laser beam path is arranged so that in a mirror symmetry plane of the collimating mirror ( 3 ) lying Einzelstahlen the on the Kollimationsspiegel ( 3 ) incident laser beam path in a mirror symmetry plane of the focusing mirror ( 4 ) and that of the rotational symmetry axis of the mirror surface of the collimating mirror ( 3 ) from counted order of impact points ( 8a ... 8e ) of the individual beams at the collimation mirror, beginning with the axis of rotation of the mirror surface of the collimation mirror ( 3 ) nearest point of impact ( 8a ), with the rotational symmetry axis ( 11 ) of the mirror surface of the focusing mirror ( 4 ) from counted sequence of impact points ( 8a ... 8e ) of the individual steels on the focusing mirror ( 4 ), starting with the axis of rotation symmetry ( 11 ) of the mirror surface of the focusing mirror ( 4 ) nearest point of impact ( 8a ) matches. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimationsspiegel (3) und der Fokussierspiegel (4) so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie jeweils den einfallenden Laserstrahl mit dem gleichen Umlenkwinkel (9) ablenken.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the collimation mirror ( 3 ) and the focusing mirror ( 4 ) are formed and arranged so that they each have the incident laser beam with the same deflection angle ( 9 ) distract. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimationsspiegel (3) und der Fokussierspiegel (4) die gleiche Brennweite aufweisen.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the collimation mirror ( 3 ) and the focusing mirror ( 4 ) have the same focal length. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Laserstrahlengang zwischen dem Kollimationsspiegel (3) und dem Fokussierspiegel (4) mindestens ein den Laserstrahlengang umlenkender Planspiegel (13) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the laser beam path between the collimating mirror ( 3 ) and the focusing mirror ( 4 ) at least one laser beam path deflecting plane mirror ( 13 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Laserstrahlengang mindestens ein den Laserstrahlengang umlenkender, teildurchlässiger Planspiegel (14) angeordnet ist, wobei diesem Planspiegel mindestens eine Sensoreinrichtung (15) zugeordnet ist, die physikalische Größen des Bearbeitungsprozesses oder der Prozessumgebung über einen Sensorstrahlengang (16) erfasst.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the laser beam path at least one of the laser beam path deflecting, semi-permeable plane mirror ( 14 ), wherein this plane mirror at least one sensor device ( 15 ), the physical variables of the machining process or the process environment via a sensor beam path ( 16 ) detected. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (15) aus einer Beobachtungskamera besteht.Apparatus according to claim 6, characterized in that the sensor device ( 15 ) consists of an observation camera. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (3, 4, 13, 14) mit einer Kühleinrichtung versehen ist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one of the mirrors ( 3 . 4 . 13 . 14 ) is provided with a cooling device. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (3, 4, 13, 14) wassergekühlt und/oder luftgeküllt ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one of the mirrors ( 3 . 4 . 13 . 14 ) is water cooled and / or air-circled. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikgehäuse (1) mit mindestens einer Einrichtung (17, 18) zum Schutz des Optikgehäuses (1) gegen Eindringen von Schmutz versehen ist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the optical housing ( 1 ) with at least one device ( 17 . 18 ) for protecting the optical housing ( 1 ) is provided against ingress of dirt. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) zum Schutz des Optikgehäuses gegen Eindringen von Schmutz einen außerhalb des Optikgehäuses (1) quer zum Laserstrahl verlaufenden Gasstrom erzeugt.Device according to claim 10, characterized in that the device ( 17 ) to protect the optical housing against the ingress of dirt outside the optical housing ( 1 ) generated transversely to the laser beam extending gas stream. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (18) zum Schutz des Optikgehäuses gegen Eindringen von Schmutz einen das Optikgehäuse (1) mit Überdruck spülenden Gasstrom erzeugt.Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the device ( 18 ) to protect the optical housing against the ingress of dirt, the optical housing ( 1 ) produced with overpressure purging gas stream.
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